11.3.2 Влияние деформационного упрочнения на износостойкость
трущихся поверхностей
Износостойкость деталей. Износостойкость – это способность материала детали сопротивляться изнашиванию. В количественном выражении износостойкость ε равна величине обратной износу U (ε = 1/U). Повышению износостойкости в большинстве случаев способствует предварительное упрочнение поверхностного слоя, которое уменьшает смятие и истирание поверхностей при трении. Упрочнение усиливает диффузию кислорода воздуха в металл поверхностного слоя, создавая в нем твердые химические соединения FeO. Fe2O3. Fe3O4, характерные для окислительного износа, протекающего с меньшей интенсивностью; препятствует развитию совместной пластической деформации трущихся деталей, вызывающей холодную сварку − схватывание, которое является самым разрушительным видом изнашивания. Влияние упрочнения на износ металлов показано на рис. 11.7.
Рис. 11.7. Зависимость износа от твердости упрочненного поверхностного слоя.
1, 2, 3 – различные материалы
Из графиков (рис.11.7) видно, что деформационное упрочнение (наклеп) на износ оказывают положительное влияние, то есть увеличение наклепа снижает износ. Однако положительное влияние наклепа на износ трущихся поверхностей проявляется только до определенной величины первоначального наклепа. Если при предварительной обработке трущихся поверхностей степень пластической деформации поверхностного слоя превосходит определенное для данного металла значение, то в металле начинается процесс его разрыхления (разрывы междуатомных связей по плоскостям скольжения и субмикроскопические нарушения сплошности металла), происходящий одновременно с продолжающимся процессом упрочнения. Это явление называется процессом перенаклепа.
При дальнейшем увеличении нагружения металла переупрочненные и охрупченные зоны металла отслаиваются от его основной массы, начинается шелушение и ускоренный износ металла. Таким образом, перенаклеп металла вызывает резкое снижение износостойкости, а также снижает усталостную прочность деталей и некоторые другие эксплуатационные свойства. В связи с этим, упрочнение металла поверхностного слоя в процессе механической обработки деталей или при специальных упрочняющих операциях (обкатке роликами, дробеструйной обработке и т.д.) следует проводить при строго регламентированном достигаемом наклепе, чтобы предотвратить перенаклеп.
Усталостная прочность деталей машин в значительной степени зависит от степени упрочнения (наклепа) металла поверхностного слоя. Упрочнение металла до определенных пределов уменьшает амплитуду циклической пластической деформации и предотвращает возникновение субмикроскопических нарушений сплошности, порождающих развитие усталостных трещин.
Создание упрочненного наклепанного поверхностного слоя препятствует росту существующих и появлению новых усталостных трещин. Такой слой может нейтрализовать влияние наружных дефектов и шероховатости поверхности.
Результаты многочисленных исследований показывают, что при наклепе металла поверхностного слоя повышение циклической прочности деталей машин, работающих в условиях нормальной температуры может достигать 25 − 30 %. При наклепе металла точением или полированием предел выносливости повышается на 20 – 25 % за счет наклепа и на 12 −15 % за счет снижения высоты микронеровностей поверхности при переходе от точения к полированию.